李昊昱 孟兆良 龐黨偉 陳 金 侯永坤 崔海興 金 敏王振林,* 李 勇,*

1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 山東泰安271018

農(nóng)田土壤碳庫(kù)約占陸地土壤碳庫(kù)的 8%～10%,對(duì)農(nóng)藝管理措施響應(yīng)敏感[1], 促進(jìn)農(nóng)田土壤固碳對(duì)土質(zhì)提升與作物增產(chǎn)有重要意義[2]。土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚作用被認(rèn)為是有機(jī)碳固定的核心機(jī)制[3], 其穩(wěn)定性與有機(jī)碳的長(zhǎng)期固存密切相關(guān)[4]。秸稈還田是農(nóng)田碳輸入和驅(qū)動(dòng)團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)的重要因素[5]。因此,研究秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳的影響對(duì)農(nóng)田土壤固碳意義重大。

合理的秸稈還田能夠改善土壤結(jié)構(gòu), 提高有機(jī)質(zhì)含量, 促進(jìn)大團(tuán)聚體形成, 利于作物增產(chǎn)[6]。秸稈雙季還田配施適量氮肥能夠有效降低土壤容重, 增加總孔隙度, 是改良砂姜黑土的有效措施[7]； Zhao等[8]認(rèn)為雙季全量還田能夠顯著改善土壤結(jié)構(gòu), 提高土壤有機(jī)碳含量及周年產(chǎn)量, 單季還田則能夠維持土壤有機(jī)碳初始水平； 在萊陽潮土區(qū), 麥玉雙季還田處理下作物籽粒品質(zhì)優(yōu)于小麥單季還田[9]； 同時(shí), 許菁等[10]發(fā)現(xiàn), 深松+秸稈還田能夠顯著增強(qiáng)小麥玉米光合能力, 提高單季和周年產(chǎn)量。然而, 也有研究表明秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體和作物產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響[11]。因此, 秸稈還田的效應(yīng)與特定生態(tài)區(qū)、還田量、耕作方式及施氮量等配套農(nóng)藝措施密切相關(guān)。

隨著作物單產(chǎn)的提高以及秸稈綜合利用技術(shù)的發(fā)展, 選擇適宜的周年秸稈還田模式對(duì)于兼顧土質(zhì)提升和秸稈資源的充分利用有重要意義。前人對(duì)黃淮海東部地區(qū)小麥玉米周年生產(chǎn)中秸稈還田技術(shù)的研究多集中于雙季秸稈還田； 單季秸稈還田對(duì)土壤肥力、作物生產(chǎn)的影響仍需深入。此外, 大部分研究側(cè)重于秸稈還田對(duì)耕層(0～20 cm)土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分的影響, 較少關(guān)注更深層土壤碳庫(kù)變化； 同時(shí), 研究與該區(qū)常用耕作方式相結(jié)合的周年還田模式更具有現(xiàn)實(shí)推廣意義。本試驗(yàn)分析不同周年秸稈還田模式對(duì)土壤容重、團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性、團(tuán)聚體有機(jī)碳含量、土壤固碳能力以及小麥-玉米周年產(chǎn)量的影響, 旨在為現(xiàn)有耕作制度下提升土壤生產(chǎn)潛力和優(yōu)化配套區(qū)域秸稈還田模式提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experiment design

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站(山東泰安, 36°09′N,117°09′E)屬于溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候, 年平均氣溫13℃, 年平均降雨量 697 mm, 是典型的冬小麥-夏玉米一年兩熟區(qū)。試驗(yàn)開始前耕層(0～20 cm)土壤含有機(jī)質(zhì)14.37 g kg-1、全氮1.24 g kg-1、速效磷9.60 mg kg-1、速效鉀85.30 mg kg-1、硝態(tài)氮12.79 mg kg-1、銨態(tài)氮6.06 mg kg-1, pH 8.06。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

定位試驗(yàn)中設(shè)置雙季秸稈不還田(NS)、夏玉米季秸稈還田(SS)、冬小麥季秸稈還田(WS)、雙季秸稈還田(DS) 4個(gè)處理。采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 3次重復(fù),小區(qū)面積為9 m × 3 m = 27 m2。田間操作見表1。

供試冬小麥品種為濟(jì)麥 22, 種植密度為2.25×106株 hm-2, 行距 25 cm。于 2016年 10月 9日、2017年10月8日播種(按照種植密度×130%播種), 三葉期查苗、定苗(根據(jù)種植密度要求, 每平方米留苗225株, 去弱留強(qiáng))。各處理施肥量均為純氮225 kg hm-2, 耕地時(shí)施入 50%氮肥(尿素)、105 kg hm-2P2O5(過磷酸鈣)和105 kg hm-2K2O (氯化鉀),其余氮肥于拔節(jié)期開溝追施。供試夏玉米品種為鄭單 958, 種植密度為 6.75×104株 hm-2。于 2017年 6月11日、2018年6月9日播種, 各處理施肥量均為純氮180 kg hm-2、120 kg hm-2P2O5(過磷酸鈣)和96 kg hm-2K2O (氯化鉀), 50%氮肥和全部磷、鉀肥于播種前施入, 其余氮肥于大喇叭口期追施。耕作方式為冬小麥季旋耕(10～12 cm), 夏玉米季免耕。其他管理措施同高產(chǎn)田。還田秸稈均為上季作物殘茬(表 2)。

1.3 樣品采集

1.3.1 土壤容重樣品采集 于2017年9月25日和2018年9月20日采集土壤容重樣品, 從各小區(qū)隨機(jī)選取 5個(gè)點(diǎn), 采用環(huán)刀法每 10 cm一層, 測(cè)定0～40 cm土層容重。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體樣品采集 于 2017年9月25日和2018年9月20日從各小區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn), 使用分離式土壤原狀土取樣器(AWS-ETC-300E, 美國(guó))采集具有代表性的原狀耕層土壤(避免外力擠壓, 以保持原來的結(jié)構(gòu)狀態(tài)), 分 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 4個(gè)層次。運(yùn)回室內(nèi)(運(yùn)輸時(shí)避免震動(dòng)和翻倒), 沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕撥開, 將原狀土剝成小土塊, 防止外力作用而變形, 去除秸稈、根系殘?bào)w與小石塊, 于通風(fēng)處自然風(fēng)干。

1.3.3 土壤樣品采集 于 2017年 9月 25日和2018年9月20日從各小區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn), 分別用土鉆采集 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土層土壤, 充分混合后, 經(jīng)風(fēng)干, 磨碎, 過 60目篩,測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

1.4 樣品分析及方法

1.4.1 土壤團(tuán)聚體分析 采用改進(jìn)的濕篩法測(cè)定土壤團(tuán)聚體含量, 取各處理 50.0 g土樣, 用于濕篩的分析, 采用土壤團(tuán)聚體分析儀(TTF-100, 浙江舜龍), 一次可同時(shí)分析4個(gè)土樣, 套篩孔徑依次為5、2、1、0.5和0.25 mm。將土樣倒入套篩中, 在水中穩(wěn)定10 min, 然后按20次 min-1的頻率上下振動(dòng)3 min (上下篩動(dòng)時(shí)套篩不能露出水面)。篩分結(jié)束后,將留在篩子上的各級(jí)團(tuán)聚體用去離子水流通過漏斗分別洗入鋁盒, 澄清后倒去上清液, 40℃烘干至恒重, 在空氣中平衡2 h后稱量。磨碎過60目篩, 測(cè)定各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

1.4.2 土壤有機(jī)碳含量測(cè)定 采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量。

1.4.3 產(chǎn)量相關(guān)性狀測(cè)定 冬小麥成熟期在各小區(qū)內(nèi)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的區(qū)域, 收獲 2.0 m×6行(共計(jì)3 m2, 不包括邊行), 采用QKT-320A型小型種子脫粒機(jī)(河南省衛(wèi)輝市種子機(jī)械制造廠)脫粒, 風(fēng)干后調(diào)整含水量至12%測(cè)定籽粒產(chǎn)量。夏玉米成熟期在每個(gè)小區(qū)去除邊行后, 隨機(jī)收獲雙行玉米中的連續(xù)30穗,人工脫粒, 風(fēng)干后調(diào)整含水量至14%測(cè)定籽粒產(chǎn)量。1.4.4 樣品分析與計(jì)算公式

(1) 土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比：

式中,wi代表第i級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；Wi代表第i級(jí)團(tuán)聚體的風(fēng)干質(zhì)量(g)。

(2) 土壤大團(tuán)聚體數(shù)量：

式中,R0.25代表大團(tuán)聚體(＞0.25 mm)數(shù)量(%),Wi＞0.25代表＞0.25 mm團(tuán)聚體的重量。

(3) 平均重量直徑(MWD)：

式中,xi為第i級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑(mm),wi為第i級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量比例(%)。

(4) 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量：

式中, SCS代表土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t C hm-2)； SOC代表土壤有機(jī)碳含量(g kg-1)； SBD代表土壤容重(g cm-3)；H代表土層深度(cm)。

(5) 土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體的固碳能力：

式中, CPCi代表第i級(jí)土壤團(tuán)聚體固碳能力； SSACi代表第i級(jí)團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳含量(g kg-1)；wi代表第i級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)2018年樣品進(jìn)行分析, 采用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù), 用DPS 7.05進(jìn)行統(tǒng)計(jì)方差分析, 用LSD 法進(jìn)行多重比較, 采用 SigmaPlot 12.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重與團(tuán)聚體分布

在0～40 cm土層中, 隨土層加深, 容重增加, 大團(tuán)聚體質(zhì)量比例減少(表3)。與秸稈不還田相比, 各秸稈還田處理均不同程度降低了0～30 cm各土層的土壤容重, SS、WS和DS處理分別平均降低4.8%、2.7%和 6.1%； 大團(tuán)聚體質(zhì)量比例平均分別提高12.8%、15.0%和 12.9%, 說明秸稈還田能夠有效地改善土壤結(jié)構(gòu)。3種還田模式中, DS處理對(duì)容重的降低效果最顯著。

表3 不同秸稈還田模式對(duì)0～40 cm土壤容重、團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響Table 3 Effect of different straw incorporation model on soil bulk density, soil aggregate proportion, and mean weight diameter in 0-40 cm layers

不同粒級(jí)團(tuán)聚體分布如表3所示, 在0～40 cm各土層中, 1.0～0.5 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量比例分別為24.5%、26.5%、25.6%和33.7%, 是土壤團(tuán)聚體的優(yōu)勢(shì)粒級(jí)； 在 0～10 cm 土層中, 秸稈還田主要通過提高＞5 mm、1.0～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量比例來提高R0.25, 各處理平均提升100.8%和25.5%； 在10～20和20～30 cm土層中,R0.25的提升主要是由于 5～2 mm (14.7%和64.5%)和1.0～0.5 mm (15.8%和14.6%)粒級(jí)團(tuán)聚體的提升。所有土層中, 均以 DS處理大團(tuán)聚體提升幅度最大。同時(shí), 與不還田處理相比, 各秸稈還田處理顯著降低了0～30 cm各土層微團(tuán)聚體質(zhì)量比例, 平均分別降低35.5%、44.7%和31.5%。在30～40 cm各土層中,R0.25以及各團(tuán)聚體分布處理間差異不顯著。平均重量直徑(MWD)是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo), 在0～10 cm、10～20 cm和 20～30 cm土層中, 秸稈還田處理的 MWD值顯著高于無秸稈還田處理, 說明秸稈還田提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。其中, DS處理提升效果最顯著。在30～40 cm土層中, 各處理間無顯著性差異, 說明秸稈還田對(duì)該土層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響較小。

2.2 土壤總有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量

不同秸稈還田模式均顯著提高了0～30 cm各土層中有機(jī)碳含量(SOC)(圖1)。與NS相比, DS提升幅度最大, 增幅為 16.3%～20.8%； 各秸稈還田處理SOC在不同土層表現(xiàn)出不同趨勢(shì), 在0～10 cm土層表現(xiàn)為 DS＞SS＞W(wǎng)S＞NS； 而在 10～30 cm 土層中則表現(xiàn)為 DS＞W(wǎng)S＞SS＞NS。30～40 cm 土層中, 各處理間SOC含量無顯著性差異。從不同土壤層次來看, 秸稈還田處理下0～10 cm和10～20 cm土層中有機(jī)碳含量顯著高于20～30 cm和30～40 cm土層, 說明秸稈還田主要促進(jìn)表層有機(jī)碳積累。

不同處理下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(SCS)表現(xiàn)為10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm＞30～40 cm。0～20 cm 土層中SCS占0～40 cm土層SCS的63.6%, 表現(xiàn)出“上富下貧”的規(guī)律。與不還田相比, 各秸稈還田處理均顯著提高了0～30 cm各土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量, 以DS處理最為顯著, 分別提升6.6%、12.5%和14.6%。

2.3 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

由表4可以看出, 0～40 cm各土層中有機(jī)碳含量均隨團(tuán)聚體粒級(jí)的減小逐漸減少。10～20 cm土層中各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高, 其他土層依次為0～10 cm、20～30 cm 和 30～40 cm, 與 SOC、SCS 規(guī)律表現(xiàn)一致。與秸稈不還田處理相比, 各秸稈還田處理對(duì)所有粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量均有不同程度的提高； 各處理效果總體表現(xiàn)為DS＞W(wǎng)S＞SS, DS處理下各粒級(jí)團(tuán)聚體 SOC平均分別提高 12.5%、18.2%、16.4%、13.9%、12.4%和10.7%。

圖1 不同秸稈還田模式對(duì)0～40 cm土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量的影響Fig. 1 Effects of straw incorporation on SOC and SCS in 0-40 cm layers

表4 不同秸稈還田模式對(duì)0～40 cm土層中各粒級(jí)團(tuán)聚體關(guān)聯(lián)有機(jī)碳含量的影響Table 4 Effect of straw incorporation on aggregate-associated soil organic carbon content in 0-40 cm layers

2.4 土壤團(tuán)聚體固碳能力

各土層土壤固碳能力為 10～20 cm≈0～10 cm＞20～30 cm＞30～40 cm (表 5)。與不還田處理相比, 秸稈還田顯著提高了0～30 cm各土層土壤總固碳能力,平均分別提升7.2%、8.7%和21.4%。在0～10 cm土層, 秸稈還田主要提高了＞5 mm和1.0～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的固碳能力, 平均分別提高 0.30 g kg-1和0.42 g kg-1； 其中DS處理效果最顯著。在10～20 cm土層, 與不還田處理相比, ＞5 mm和5～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體固碳能力顯著提高, 平均分別提高 0.24 g kg-1和0.39 g kg-1。在20～30 cm土層, 各秸稈還田處理則主要提高了5～2 mm、2～1 mm和1.0～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體固碳能力, 平均分別提高 0.43 g kg-1、0.34 g kg-1和 0.30 g kg-1。但秸稈還田降低了 0～30 cm土層中0.50～0.25 mm和＜0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體固碳能力, 平均分別降低0.11 g kg-1和0.38 g kg-1?？傮w來看, DS處理下土壤固碳能力增幅最大, 說明雙季秸稈還田最利于土壤有機(jī)碳的固定。

2.5 秸稈還田量與SBD、SOC、SCS、MWD和CPC間的關(guān)系

作物地上部秸稈還田量(SIR)與 0～30 cm 土壤SOC、SCS、MWD和CPC之間顯著正相關(guān)(表6), 表明地上部秸稈還田總量是促進(jìn)SOC和SCS提高、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤固碳能力增強(qiáng)的主要因素之一, 與0～30 cm土層SBD呈顯著負(fù)相關(guān), 說明秸稈還田量對(duì)降低土壤容重有一定影響。土壤有機(jī)碳作為土壤團(tuán)聚過程中的膠結(jié)劑, 其含量影響著土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。在 0～10 cm、10～20 cm和 20～30 cm土層中, SOC與MWD值呈顯著正相關(guān), 說明較高的SOC促進(jìn)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高； 同時(shí)SOC與SBD呈顯著負(fù)相關(guān)。SCS與SBD相關(guān)性不顯著, 與SOC顯著正相關(guān), 說明SOC是決定SCS的主要因素。SOC、SCS和 MWD均與 0～30 cm土壤 CPC呈顯著正相關(guān), 表明土壤固碳能力的提升與有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量的提高和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增強(qiáng)密不可分。

表5 不同秸稈還田模式對(duì)0～40 cm土層土壤固碳能力的影響Table 5 Effect of straw incorporation on carbon preservation capacity of soil aggregates in 0-40 cm layers

表6 作物地上部還田量與SBD、SOC、SCS、MWD和TCPC之間的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients of SIR with SBD, SOC, SCS, MWD, and TCPC

2.6 冬小麥-夏玉米產(chǎn)量

秸稈還田顯著提高了冬小麥、夏玉米的籽粒產(chǎn)量(表 7), 兩年規(guī)律表現(xiàn)一致, 雖然 2017—2018年小麥產(chǎn)量整體下降, 但秸稈還田對(duì)產(chǎn)量的提升作用依然顯著。3種還田模式中, 以DS處理增產(chǎn)效果最為顯著, 小麥、玉米兩年平均每公頃增產(chǎn) 1297.15 kg和 1175.03 kg； 周年總產(chǎn)對(duì)秸稈還田響應(yīng)顯著,SS、WS、DS處理兩年分別平均增產(chǎn) 4.4%、8.1%和14.3%。SS主要提高了夏玉米產(chǎn)量, WS則主要提高了冬小麥籽粒產(chǎn)量, DS處理下小麥、玉米增產(chǎn)均衡, 說明秸稈還田主要影響當(dāng)季作物的籽粒產(chǎn)量。

表7 不同秸稈還田模式對(duì)冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的影響Table 7 Effects of straw incorporation on grain yield of winter wheat and summer maize

3 討論

3.1 秸稈還田對(duì)土壤容重和團(tuán)聚體分布的影響

土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一, 能夠有效調(diào)節(jié)土壤水肥熱狀況[12]。多數(shù)研究表明, 秸稈還田對(duì)降低土壤容重起積極作用[13], 本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究一致(表3)。究其原因, 可能由于秸稈具有密度低的特點(diǎn), 還田后對(duì)土壤起到一種“稀釋作用”,從而降低單位體積土壤的質(zhì)量[14]。

土壤團(tuán)聚體是由礦物顆粒和有機(jī)物形成的不同尺度的多孔結(jié)構(gòu)單元[15], 良好的土壤結(jié)構(gòu)是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)。Foute等[16]研究表明, 大量的秸稈輸入是大團(tuán)聚體比例和團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高的主要原因。本研究結(jié)果表明, 與未還田處理相比, 秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響趨勢(shì)大致相同, 即大團(tuán)聚體質(zhì)量比例增加, 微團(tuán)聚體質(zhì)量比例減小, 團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)(表 3)。其中, 雙季秸稈還田處理效果最顯著, 這與前人研究一致[15,17]。本試驗(yàn)條件下, 在0～30 cm土層, SOC與MWD呈顯著正相關(guān)(表6)。秸稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)如多糖和有機(jī)酸, 不僅為微生物提供更多的生存環(huán)境, 同時(shí)促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體、土壤礦物質(zhì)和粗顆粒有機(jī)物膠結(jié)為大團(tuán)聚體, 提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[18]。

3.2 秸稈還田對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳能夠有效地調(diào)控土壤的物理、化學(xué)和生物過程, 是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[19]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明, 與未還田處理相比, 秸稈還田顯著提高了0～30 cm各土層土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量(圖 1), 與前人研究一致[17,20]。Stewart等[21]認(rèn)為,當(dāng)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量未飽和時(shí), 秸稈還田才能夠提高SOC含量。本研究表明, 在黃淮海平原小麥玉米輪作中, 雙季秸稈還田處理的SOC和SCS高于單季還田處理高于未還田處理, 說明該區(qū)域農(nóng)田土壤中有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量尚未達(dá)到飽和。因此, 秸稈還田仍是黃淮海東部提升地力的有效措施。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳主要取決于有機(jī)物料輸入與輸出的平衡[22]。本研究結(jié)果表明, 在0～30 cm土層中,秸稈還田量與 SOC呈顯著正相關(guān)(表 6)。小麥秸稈還田量雖大, 但對(duì)SOC的提升作用不如玉米秸稈還田, 其原因可能為冬小麥季播前旋耕使得玉米秸稈與土壤接觸緊密, 為土壤微生物提供了附著點(diǎn)和營(yíng)養(yǎng)源, “刺激”了微生物活性, 加速了玉米秸稈的腐解[23-24]； 而小麥秸稈為免耕覆蓋還田, 表層秸稈只能經(jīng)風(fēng)化等物理過程初步降解[25], 只有與土壤接觸的下層秸稈才能由微生物快速分解, 導(dǎo)致SS處理下0～10 cm土層SOC和SCS高于WS處理。同時(shí), 小麥秸稈的 C/N要高于玉米秸稈, 腐解速率較低[26]。綜上所述, 農(nóng)田土壤有機(jī)碳的積累主要取決于秸稈還田量、還田秸稈性質(zhì)及其腐解速率。

3.3 秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及固碳能力的影響

有研究表明, 土壤表層有機(jī)碳約 90%儲(chǔ)存在團(tuán)聚體中, 團(tuán)聚體的團(tuán)聚作用對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳具有重要意義[27]。本實(shí)驗(yàn)條件下, 土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量均隨團(tuán)聚體粒徑的增大而增加(表4), 說明大團(tuán)聚體是有機(jī)碳的主要載體[28]。同時(shí), 秸稈還田也提高了團(tuán)聚體的固碳能力, 尤其是＞5 mm、5～2 mm、1～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體(表 5)。秸稈腐解釋放的有機(jī)碳受土壤大團(tuán)聚體的物理保護(hù), 并在其中進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 進(jìn)而影響微生物群落和功能的進(jìn)化與匹配, 最終將有機(jī)碳固定在土壤中[29]。團(tuán)聚體的固碳效應(yīng)以及大團(tuán)聚體的形成是有機(jī)碳與團(tuán)聚體共同作用的結(jié)果, 二者相輔相成, 共同促使土壤質(zhì)量良性化發(fā)展。三種秸稈還田處理中, 以雙季秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與固碳能力改善效果最顯著, 可能是秸稈還田量差異造成的[30]。

3.4 秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明, 與不還田相比, 無論何種還田模式, 兩年度小麥-玉米周年產(chǎn)量均得到了提升(表7), 與前人研究結(jié)果相符[31]。秸稈還田能夠優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu), 補(bǔ)充和平衡土壤養(yǎng)分, 最終提升作物產(chǎn)量。兩種單季還田模式均產(chǎn)生了對(duì)還田當(dāng)季作物明顯的增產(chǎn)效應(yīng), 其原因可能與秸稈分解特性有關(guān)。玉米秸稈主要在越冬期前和拔節(jié)后快速腐解[32],伴隨著養(yǎng)分的釋放, 越冬前秸稈還田有利于培育冬前壯苗, 拔節(jié)后秸稈的快速腐解使得土壤水肥供應(yīng)更加充足, 進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量。在夏玉米生長(zhǎng)季, 秸稈還田補(bǔ)充了土壤中的有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分, 從而為籽粒發(fā)育提供充足的碳源[33], 達(dá)到玉米增產(chǎn)的目的。

4 結(jié)論

秸稈還田能夠顯著提高耕層(0～30 cm)有機(jī)碳含量, 優(yōu)化土壤團(tuán)聚體組成, 提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性與固碳能力, 協(xié)同提高小麥玉米產(chǎn)量。雙季還田模式是當(dāng)前黃淮海區(qū)域土質(zhì)提升和作物增產(chǎn)的最佳措施；

單季秸稈還田能維持較高的土壤生產(chǎn)力, 同時(shí)提供大量秸稈的飼料化、能源化和原料化多元利用。